Фундаментальні дослідження:

• Квантова електродинаміка в сильних електромагнітних полях.
• Взаємодія зарядженої частинки із замагніченим електронним газом.
• Дослідження умов виникнення та протікання високовакуумних високоградієнтних пробоїв у прискорювальних елементах.
• Плазмові процеси в джерелах іонів і магнетронів імпульсного типу.
• Дослідження зміни мікроструктури та еволюції дефектної структури мультикомпонентних сплавів реакторної техніки у процесі довгострокового нейтронного опромінення багаторівневим числовим моделюванням
• Інтегроване багаторівневе моделювання механічних властивостей конструктивних реакторних матеріалів під дією опромінення.
• Процеси взаємодії прискорених іонів і електронів МеВ-них енергій з речовиною.
• Іонна імплантації та імітаційні експерименти з дослідження впливу опромінення на конструкційні матеріали ядерної енергетики.
• Фізичні принципи генерації та формування інтенсивних пучків як позитивних так і негативних газових та металевих іонів для високоенергетичних іонних прискорювачів.
• Дослідження процесів нерівноважної плазми і розробка плазмових технологій виробництва водню для інтегрованих ядерно-водневих систем
• Дослідження фізико-хімічних властивостей водень-абсорбційних матеріалів перспективних для гібридних енергетичних систем і відновлювальних джерел енергії

Прикладні дослідження

• Рентгенівський фазовий контраст на базі компактних джерел рентгенівського випромінювання.
• Технологія і застосування ядерного скануючого мікрозонду.
• Технологія і застосування протонно-променевої літографії.
• Дослідження механізмів впливу водню на фізичні властивості конструкційних матеріалів для атомної енергетики.
• Розробка нових високодисперсних композиційних матеріалів з високими характеристиками радіаційної стійкості та фізико-хімічними властивостями
• Ядерно-фізичні методи локального аналізу для виконання задач ядерної криміналістики, характеризації, датування та збереження артефактів культурної спадщини.

Науково-технічні розробки

• Установка фазоконтрастної томографії для ранньої діагностики онкологічних, серцево-судинних захворювань.
• Експериментальна установка для отримання водню шляхом розщеплення природного газу в високочастотному (ВЧ) та над-високочастотному (НВЧ) розрядах при атмосферному тиску.
• Зондформуючі системи з корекцією аберацій для установок протонно-променевої літографії, що дасть можливість поліпшити їх роздільну здатність за рахунок зменшення сфокусованого пучка до розмірів <10 нм
• Рентгенівські дифракційні ґратки для фазоконтрастних томографів наступного покоління, які створюються з метою дослідження радіаційних дефектів реакторних матеріалів та ранньої діагностики онкологічних захворювань.
• Експериментальний стенд і відпрацювання технології для модифікації поверхні каналу повномірного ствола калібру 30 мм для підвищення його ресурсу живучості методом магнетронного розпилення імпульсами високої потужності.
• Інжектор іонів берилію (та іонів інших металів), його впровадження в іонний імплантер та прискорення пучка іонів берилію до енергії 20-120 кеВ для забезпечення технологічного процесу виготовлення фотоприймачів в діапазоні ІЧ спектру для систем наведення.
• Випробування технології магнетронного розпилення туго-плавких матеріалів імпульсами високої потужності у вакуумі для отримання зносостійких та корозійностійких покриттів з покращеними фізико-механічними властивостями.

ЯДЕРНА ФІЗИКА, ФІЗИКА ВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ

В рамках співробітництва ІПФ НАН України та ЦЕРН було проведено теоретичні дослідження з метою підвищення стійкості високоградієнтних прискорювальних структур до вакуумних пробоїв. Отримано узагальнення теорії польової емісії на випадок присутності зовнішнього магнітного поля B, перпендикулярного електричному E, у випадку E>cB. Надано рекомендації по запобіганню виникнення високовакуумного високоградієнтного пробою шляхом прикладення магнітного поля більшого за відсікаюче B > Bcutoff (декілька тесла). Виконано узагальнення теорії польової емісії на релятивістський випадок і передбачено ефект релятивістського стиснення ширини потенціального бар’єру на межі метал-вакуум.

(д.ф.-м.н., с.н.с. Холодов Р. І., Лебединський С.О.)

Проведені експерименти з виготовлення фазових дифракційних граток за допомогою каналу протонно-променевої літографії Аналітичного прискорювального комплексу ІПФ НАН України та з використанням двошарового покриття Cu/Ti, необхідним для гальванопластики. В результаті експериментів були отримані періодичні структури висотою близько 15 мкм, періодом 85 мкм та скважністю близько 0.4. Створені дифракційні гратки будуть використані в рентгенівському томографі для побудови фазоконтрастних зображень.

(д.ф.-м.н., проф. О.Г. Пономарьов, к.ф.-м.н. В.А. Ребров, к.ф.-м.н. С.В. Колінько, к.ф-м.н., доц. Р.Ю. Лопаткін, к.ф-м.н. В.М. Коломієць )

ФІЗИКА ПЛАЗМИ

На виконання цільової програми НАН України «Дослідження і розробки з проблем підвищення обороноздатності і безпеки держави» в ІПФ НАН України в процесі виконання науково-дослідної роботи ,,Розробка технології обробки каналу нарізного ствола малого калібру для підвищення ресурсу його живучості“ створено стенд для відпрацювання технологічного процесу магнетронного розпилення тугоплавких хімічно стійких металів на внутрішні поверхні зразків ствола калібру 30 мм. Вперше в Україні використана технологія магнетронного розпилення імпульсами великої потужності HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering). Дана технологія значно збільшує його ресурс експлуатації в умовах сильного фрикційного зносу та ерозії під дією агресивного корозійного газу продуктів згорання пороху при високих параметрах тиску та температури. Номінал калібру був вибраний по рекомендації ДП КБ “Артилерійське озброєння”.

(О.І. Шкурат; к.ф-м.н., доц. Р.Ю. Лопаткін; к.ф-м.н. В.М. Коломієць )

РАДІАЦІЙНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО, ФІЗИКА КОНДЕНСОВАНОГО СТАНУ

Методами молекулярної динаміки встановлено, що зерна ZrO2, які сприяють зменшенню дифузії кисню в оксидному шарі, є результатом зростання дрібних зерен, на цій основі формується і розвивається механізм подальшого окислення цирконієвого сплаву. Виявлено, що зерна ZrO2 великого розміру є результатом злиття зерен малого розміру, вихідна орієнтація і рух дислокації грають вирішальну роль в процесі злиття дрібних зерен. У рамках використання швидкісної теорії встановлено характер росту дислокаційних петель у сплавах на основі Zr із домішками Nb та Sn. З’ясовано, що неоднорідний розподіл дислокаційних петель за розмірами в зернах сплавів на основі Zr визначається відстанню від границі зерна. Неоднорідність розподілу петель за розмірами в зернах спричиняє неоднорідність деформацій при радіаційному рості. З’ясовано, що внаслідок проходження каскадів атомових зміщень, протікають процеси розчинення підкритичних та зростання надкритичних за розміром преципітатів за механізмом Оствальдівського визрівання зі збільшенням розміру виділень з 6-8 нм до 10-12 нм за реакторних режимів опромінення.

(д.ф.-м.н., проф. Д.О.Харченко, д.ф.-м.н., с.н.с. В.О.Харченко, к.ф.-м.н., доц. Ю.М.Овчаренко, к.ф.-м.н. І.О. Щокотова)

Експериментально досліджено кінетику видалення водню з електролітично насичених зразків металів, у тому числі двох різних класів сталі (феритної і аустенітной). Температурні залежності виділення водню були отримані за допомогою установки вакуумної температурної екстракції з мас-спектрометричною реєстрацією утворених летючих компонент. Для обох марок сталі процес виділення водню можна представити таким, що складається з двох стадій, які накладаються одна на одну з різним ступенем розділення (рис.). Припускаючи, що кожна стадія відповідає певній формі присутності водню у матеріалі (специфічному місцю локалізації), кінетичні параметри процесу видалення газу оцінювались для обох стадій двох зразків (таблиця). Ідентичність/схожість кінетичних параметрів першої стадії вказує на однакову форму знаходження водню в обох зразках сталі. Вбачається, що це водень поверхневій локалізації. Кінетичні параметри другої («високотемпературної») стадії мають більш відмітну розбіжность, що може свідчити про відмінності у кінетиці температурного видалення водню з приповерхневих шарів α-Fe і γ-Fe. Дані параметри можуть слугувати маркерами локалізації водню у різних сталях та давати можливість порівнювати співвідношення різних форм знаходження водню у них, що надзвичайно важливо для контролю стану реакторних матеріалів.

(к.ф-м.н., с.н.с. С.М. Данильченко, к.б.н., доц. В.Д. Чіванов, к.ф.-м.н. Калінкевич О.М.)

В рамках співробітництва ІПФ НАН України та ЦЕРН були проведені дослідження з підвищення стійкості конструкційних матеріалів (міді) прискорюючих структур іонно/електронних прискорювачів до високовольтних пробоїв, запропоновано проводити іонно-плазмову модифікацію поверхневих шарів цих матеріалів, та розроблено відповідні технології іонно-плазмової обробки матеріалів. Показано, що при використанні плівок TiN в якості захисного покриття зразків міді важливим фактором є не товщина покриття, а формування в цих плівках текстури з переважною орієнтацією (111), що призводить до зменшення темнового струму та ймовірності високовольтного пробою на таких покриттях. Плівкам TiN з текстурою(111) відповідають найнижчі значення енергії деформації, що пов'язано з анізотропією модуля Юнга. Такі площини формуються перпендикулярно напрямку росту всієї системи в цілому, що призводить до мінімізації повної енергії при зростанні плівки. Поява в плівках іншого текстури (200), паралельної поверхні росту, при одночасному зменшенні інтенсивності піку (111) погіршує стійкість плівок нітриду титану до пробоїв, в порівнянні з (111) текстурованими плівками. Покриття міді плівкою TiN (текстура 111) та додаткове опроміненням іонами аргону з енергією ~ 300 кеВ та дозою 4х1017 см-2 підвищую напругу високовольтного пробою майже на 35% в порівнянні з чистою міддю. Покриття з нітриду молібдену показали набагато менші темнові струми, ніж у зразків з покриттям із молібдену та на чистій міді, хоча їх стійкість до пробоїв поступається молібденовій поверхні.

(к.ф-м.н., с.н.с. В.А. Батурін, О.Ю. Карпенко)

Проведені експерименти з виготовлення фазових дифракційних граток за допомогою каналу протонно-променевої літографії Аналітичного прискорювального комплексу ІПФ НАН України та з використанням двошарового покриття Cu/Ti, необхідним для гальванопластики. В результаті експериментів були отримані періодичні структури висотою близько 15 мкм, періодом 85 мкм та скважністю близько 0.4. Створені дифракційні гратки будуть використані в рентгенівському томографі для побудови фазоконтрастних зображень.

(д.ф.-м.н., проф. О.Г. Пономарьов, к.ф.-м.н. В.А. Ребров, к.ф.-м.н. С.В. Колінько, к.ф-м.н., доц. Р.Ю. Лопаткін, к.ф-м.н. В.М. Коломієць )

На виконання цільової програми НАН України «Дослідження і розробки з проблем підвищення обороноздатності і безпеки держави» в ІПФ НАН України в процесі виконання науково-дослідної роботи ,,Розробка технології обробки каналу нарізного ствола малого калібру для підвищення ресурсу його живучості“ створено стенд для відпрацювання технологічного процесу магнетронного розпилення тугоплавких хімічно стійких металів на внутрішні поверхні зразків ствола калібру 30 мм. Вперше в Україні використана технологія магнетронного розпилення імпульсами великої потужності HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering). Дана технологія значно збільшує його ресурс експлуатації в умовах сильного фрикційного зносу та ерозії під дією агресивного корозійного газу продуктів згорання пороху при високих параметрах тиску та температури. Номінал калібру був вибраний по рекомендації ДП КБ “Артилерійське озброєння”.

(О.І. Шкурат; к.ф-м.н., доц. Р.Ю. Лопаткін; к.ф-м.н. В.М. Коломієць )

​ Методами молекулярної динаміки встановлено, що зерна ZrO2, які сприяють зменшенню дифузії кисню в оксидному шарі, є результатом зростання дрібних зерен, на цій основі формується і розвивається механізм подальшого окислення цирконієвого сплаву. Виявлено, що зерна ZrO2 великого розміру є результатом злиття зерен малого розміру, вихідна орієнтація і рух дислокації грають вирішальну роль в процесі злиття дрібних зерен. У рамках використання швидкісної теорії встановлено характер росту дислокаційних петель у сплавах на основі Zr із домішками Nb та Sn. З’ясовано, що неоднорідний розподіл дислокаційних петель за розмірами в зернах сплавів на основі Zr визначається відстанню від границі зерна. Неоднорідність розподілу петель за розмірами в зернах спричиняє неоднорідність деформацій при радіаційному рості. З’ясовано, що внаслідок проходження каскадів атомових зміщень, протікають процеси розчинення підкритичних та зростання надкритичних за розміром преципітатів за механізмом Оствальдівського визрівання зі збільшенням розміру виділень з 6-8 нм до 10-12 нм за реакторних режимів опромінення. ​

(Д.О.Харченко, В.О.Харченко)